Nanometer: kaj so in kako vplivajo na naš CPU

Ste že slišali za nanometre procesorja ? No, v tem članku vam bomo povedali vse o tem ukrepu. In kar je najpomembneje, kakšen vpliv imajo nanometri na elektronske čipe in različne elemente, na katere navajamo te meritve.

Kaj je nanometer

Začnimo natančno z opredelitvijo nanometrov, kajti to preprosto dejstvo bo prineslo veliko igranja ne le za računalništvo, temveč tudi za biologijo in druge vede, ki so pomembne za študije.

Nometer (nm) je merilo dolžine, ki je del mednarodnega sistema (SI). Če upoštevamo, da je števec standardna ali osnovna enota na lestvici, je nanometer ena milijarda metra ali kaj bi bilo enako:

V smislu, ki je razumljiv za običajnega človeka, nekaj, kar meri nanometra, lahko vidimo le prek močnega elektronskega mikroskopa. Na primer, človeški lasje imajo lahko premer približno 80.000 nanometrov, zato si predstavljajte, kako majhen je elektronski sestavni del, ki je le 14 nm.

Ta ukrep že od nekdaj obstaja, očitno je, vendar je imel v zadnjih letih poseben pomen za skupnost strojne opreme. Zaradi močne konkurence proizvajalcev pri ustvarjanju integriranih vezij, ki temeljijo na vedno manjših polprevodnikih ali tranzistorjih.

Tranzistor

Tranzistorska in elektronska shema

Verjetno ste že slišali pasivno in aktivno govoriti o tranzistorjih procesorja. Lahko rečemo, da je tranzistor najmanjši element, ki ga lahko najdemo v elektronskem vezju, seveda pa se izogibamo elektronom in električni energiji.

Tranzistorji so elementi, izdelani iz polprevodniškega materiala, kot sta silicij ali germanij. To je element, ki se lahko ponaša kot prevodnik električne energije ali kot izolator, odvisno od fizičnih pogojev, ki jim je izpostavljen. Na primer magnetno polje, temperatura, sevanje itd. In seveda z določeno napetostjo, kar velja za tranzistorje CPU-ja.

Tranzistor je prisoten v absolutno vseh integriranih vezjih, ki obstajajo danes. Njegov ogromen pomen je v tem, česa je sposoben: generiranje izhodnega signala kot odziv na vhodni signal, to je omogočanje ali ne prehajanja toka pred dražljajem in s tem ustvarjanje binarne kode (1 tok, 0 ni trenutno).

Logična vrata in integrirana vezja

Vrata NAND

Skozi postopek litografije je mogoče ustvariti vezja z določeno strukturo, sestavljeno iz več tranzistorjev, da tvorijo logična vrata. Logična vrata so naslednja enota za tranzistorjem, elektronska naprava, ki lahko izvaja določeno logično ali logično funkcijo. Z nekaj tranzistorjev, povezanih na tak ali drugačen način, lahko seštejemo, odštejemo in ustvarimo vrata SI, AND, NAND, ALI, NE itd. Tako se elektronski komponenti daje logika.

Tako nastajajo integrirana vezja z zaporednimi tranzistorji, upori in kondenzatorji, ki lahko tvorijo tako imenovane elektronske čipe.

Litografija ali fotolitografija

Silicijeva rezina

Litografija je način za gradnjo teh izjemno majhnih elektronskih čipov, zlasti izhaja iz imena fotolitografije in nato nanolithografije, saj se je ta tehnika v svojih začetkih uporabljala za snemanje vsebine v kamnih ali kovinah.

Trenutno se izvaja podobna tehnika za ustvarjanje polprevodnikov in integriranih vezij. Da bi to naredili, se uporabljajo silicijeve rezine z nanometrom, ki s postopki, ki temeljijo na izpostavljenosti določeni sestavni deli in uporabi drugih kemičnih spojin, lahko ustvarijo vezja mikroskopskih velikosti. Po drugi strani so te rezine zložene, dokler ne dobijo zapletenega 3D čipa.

Koliko nanometrov imajo trenutni tranzistorji?

Prvi polprevodniški procesorji se je Intel pojavil leta 1971 s svojim inovativnim 4004. Proizvajalcu je uspelo ustvariti 10.000 nm tranzistorje ali 10 mikrometrov, s čimer je imel na čipu do 2.300 tranzistorjev.

Tako se je začela tekma za prevlado v mikrotehnologiji, ki je trenutno znana po nanotehnologiji. V letu 2019 imamo na voljo elektronske čipe s 14nm proizvodnim postopkom, ki je nastal z Intelovo arhitekturo Broadwel, 7nm, z AMD-jevo arhitekturo Zen 2, celo 5nm testiranja izvajajo IBM in drugi proizvajalci. Da bi se postavili v situacijo, bi bil 5nm tranzistor le 50-krat večji od elektronskega oblaka atoma. Pred nekaj leti je bilo že mogoče ustvariti 1 nm tranzistor, čeprav gre za čisto eksperimentalni postopek.

Ali menite, da vsi proizvajalci izdelujejo svoje čipe? No, resnica je, da ne, na svetu pa lahko najdemo štiri velike sile, ki so namenjene izdelavi elektronskih čipov.

• TSMC: To podjetje za mikrotehnologijo je eden vodilnih svetovnih monterjev čipov. Pravzaprav izdelujejo procesorje blagovnih znamk, kot so AMD (osrednji del), Apple, Qualcomm, Nvidia, Huawei ali Texas Instrument. Je ključni proizvajalec 7nm tranzistorjev. Global Foundries - To je eden izmed proizvajalcev silikonskih rezin z največ kupci, vključno z AMD, Qualcomm in drugimi. Toda v tem primeru z 12 in 14 nm tranzistorji med drugimi. Intel: Modri ​​velikan ima svojo tovarno procesorjev, zato ni odvisno od drugih proizvajalcev, da bi ustvarili svoje izdelke. Mogoče je to razlog, da se 10nm arhitektura potrebuje toliko časa, da se razvije v primerjavi s svojimi 7nm konkurenti. Bodite prepričani, da bodo ti procesorji brutalni. Samsung: Korejsko podjetje ima tudi svojo tovarno silicija, zato smo v enakih pogojih kot Intel. Ustvarjanje lastnih procesorjev za pametne telefone in druge naprave.

Moorov zakon in fizična meja

Grafen tranzistor

Znani Moorov zakon govori, da se število elektronov v mikroprocesorjih vsaki dve leti podvoji, resnica pa je, da to drži že od začetka polprevodnikov. Trenutno se drobnice prodajajo s 7nm tranzistorji, natančneje ima AMD procesorje v tej litografiji za namizja, AMD Ryzen 3000 z arhitekturo Zen 2. Podobno imajo tudi proizvajalci, kot so Qualcomm, Samsung ali Apple 7nm procesorji za mobilne naprave.

5 nm nanometer je postavljen kot fizična meja za izdelavo tranzistorja na osnovi silicija. Vedeti moramo, da so elementi sestavljeni iz atomov, ti pa imajo določeno velikost. Najmanjši eksperimentalni tranzistorji na svetu merijo 1 nm in so narejeni iz grafena, materiala, ki temelji na veliko manjših atomih ogljika kot silicij.

Intel Tick-Tock model

Intel Tick Tock Model

To je model, ki ga je Intel od leta 2007 sprejel za ustvarjanje in razvijanje arhitekture svojih procesorjev. Ta model je razdeljen na dva koraka, ki temelji na zmanjšanju proizvodnega procesa in nato optimizaciji arhitekture.

Korak Tick se pojavi, ko se proizvodni postopek zmanjša, na primer z 22nm na 14nm. Čeprav Tock korak naredi, je ohraniti isti postopek izdelave in ga optimizirati v naslednji iteraciji, namesto da bi še naprej zmanjševal nanometre. Na primer, arhitektura Sandy Bridge iz leta 2011 je bila Tock (izboljšava od Nehalemovih 32nm), medtem ko je bil Ivy Bridge leta 2012 Tick (zmanjšan na 22nm).

A priori je bil ta načrt, ki ga je nameraval narediti leto Tick, in nadaljuje Tock, vendar že vemo, da je modri velikan to strategijo odpovedal od leta 2013 z nadaljevanjem 22 nm v Haswellu in premikom na 14 nm v 2014 Od takrat je bil celoten korak Tock, torej je 14 nm še naprej optimizirano do doseganja 9. generacije Intel Core leta 2019. Pričakuje se, da bo istega leta ali v začetku leta 2020 nov korak Tick s prihodom 10 nm.

Naslednji korak: kvantni računalnik?

Verjetno je odgovor na omejitve arhitekture, ki temelji na polprevodnikih, v kvantnem računanju. Ta paradigma popolnoma spremeni filozofijo računalništva od začetka računalnikov, ki vedno temelji na Turingovem stroju.

Kvantni računalnik ne bi temeljil na tranzistorjih niti na bitih. Postali bi molekule in delci ter Qbits (kvantni biti). Ta tehnologija s pomočjo elektronov poskuša nadzorovati stanje in razmerja molekul v materiji, da bi dosegli operacijo, podobno kot tranzistor. Seveda 1 Qbit sploh ni enak 1 bitju, saj lahko te molekule ustvarijo ne dve, temveč tri ali več različnih stanj in tako pomnožijo zahtevnost, pa tudi sposobnost izvajanja operacij.

Toda za vse to imamo nekaj majhnih omejitev, na primer, da potrebujemo temperature blizu absolutne ničle (-273 ^o C) za nadzor stanja delcev ali pa sistem namestimo pod vakuum.

• Za več informacij o vsem tem obiščite ta članek, ki smo ga pred časom preučili o tem, kaj je kvantni procesor.

Kaj nanometri vplivajo na procesorje?

Za seboj puščamo vznemirljiv in zapleten svet elektronike, v katerem samo proizvajalci in njihovi inženirji resnično vedo, kaj počnejo. Zdaj bomo videli, kakšne koristi ima za zmanjšanje nanometrov tranzistorja za elektronski čip.

5nm tranzistorji

Večja gostota tranzistorjev

Ključno je, da tranzistorji določajo število logičnih vrat in vezij, ki jih lahko vstavimo v silikon le nekaj kvadratnih milimetrov. Govorimo o skoraj 3 milijarde tranzistorjev v 174 mm ² matriki, kot je 14nm Intel i9-9900K. V primeru AMD Ryzen 3000 približno 3, 9 milijarde tranzistorjev v 74 mm ² matriki s 7 nm.

Večja hitrost

Pri tem je čipu zagotovljena veliko večja procesorska moč, saj je sposoben zaklepati z veliko več stanj na čipu z večjo gostoto polprevodnikov. Na ta način dobimo več navodil na cikel, ali kar je enako, dvignemo IPC procesorja, kot na primer, če primerjamo procesorje Zen + in Zen 2. Pravzaprav AMD trdi, da so njegovi novi procesorji povečali svoje Core CPI do 15% v primerjavi s prejšnjo generacijo.

Večja energetska učinkovitost

Če imamo tranzistorje z manj nanometrov, je količina elektronov, ki prehajajo skozi njih, manjša. Posledično tranzistor spremeni stanje z manjšim napajanjem, zato to močno izboljša energetsko učinkovitost. Recimo, da lahko naredimo isto delo z manj energije, zato ustvarjamo več procesne moči na vat.

To je zelo pomembno za opremo na baterije, kot so prenosni računalniki, pametni telefon itd. Prednost sedmih nm procesorjev nam je omogočila, da imamo telefone z neverjetnimi avtonomijami in spektakularno zmogljivostjo z novim Snapdragonom 855, novim A13 Bionic iz Apple in Kirin 990 iz Huaweija.

Manjši in svež čips

Nenazadnje imamo možnost miniaturnosti. Na enak način, kot lahko postavimo več tranzistorjev na enoto površine, lahko tudi to zmanjšamo, da imamo manjše čipe, ki ustvarjajo manj toplote. Temu pravimo TDP in toplota, ki jo lahko ustvari silikon s svojim največjim nabojem, pozor, to ni električna energija, ki jo porabi. Zahvaljujoč temu lahko naprave naredimo manjše in se toliko manj segrejejo z enako procesno močjo.

Obstajajo tudi slabosti

Vsak velik korak naprej ima svoja tveganja, enako pa lahko rečemo tudi v nanotehnologiji. Če ima tranzistorje manj nanometrov, je postopek izdelave veliko težji. Potrebujemo veliko naprednejša ali dražja tehnična sredstva in število napak se znatno poveča. Jasen primer je, da se je zmogljivost na rezino pravilnih čipov zmanjšala v novem Ryzen 3000. Medtem ko smo imeli v Zen + 12 nm približno 80% popolnoma funkcionalnih čipov na rezino, bi se v Zen 2 ta odstotek zmanjšal na 70%.

Prav tako je ogrožena tudi celovitost procesorjev, kar zahteva stabilnejše napajalne sisteme in boljšo kakovost signala. Zato so proizvajalci na novih ploščah čipov AMD X570 pri ustvarjanju kakovostnega VRM-ja še posebej skrbeli.

Sklepi o nanometrih

Kot vidimo, tehnologija napreduje s skoki in robom, čeprav bomo čez nekaj let našli proizvodne procese, ki bodo že na fizični meji uporabljenih materialov s tranzistorji s celo 3 ali 1 nanometri. Kaj bo naslednje? No, zagotovo ne vemo, saj je kvantna tehnologija zelo zelena in takšnega računalnika je praktično nemogoče zgraditi zunaj laboratorijskega okolja.

Zaenkrat bomo videli, če se v takšnem primeru število jeder še poveča, ali pa se začnejo materiali, kot je grafen, ki sprejemajo večjo gostoto tranzistorjev za elektronska vezja.

Brez dodatnega lepljenja vam puščamo še druge zanimive članke:

Ali menite, da bomo videli 1nm procesorje? Kateri procesor imate? Upamo, da je bil članek zanimiv, povejte nam, kaj mislite.